2014-11等离子诱导化学化学反应-2课件.ppt

(二)等离子诱导合成法 等离子体简介 物质除固solid、液liquid、气gas三种状态外，还有第四种状态，即等离子体状态 Plasma 。 电离气体ionized gas是一种常见的等离子体 放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式 等离子体 ? 电离气体 德拜( Debye )屏蔽 在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中的电子、离子将移动，屏蔽电场shielding electric field—德拜屏蔽Debye shielding 等离子体基本条件Basic requirements of Plasma 空间尺度要求 ：等离子体线度远大于德拜长度 lD L 时间尺度要求：等离子体碰撞时间collision time、存在时间existing time远大于特征响应时间 t tp 集合体要求：在德拜球中粒子数足够多，具有统计意义 ND ＝ ne (4 plD3 /3 ) 1 产生方法 1. 气体放电法 在电场作用下获得加速动能的带电粒子特别是电子与气体分子碰撞使气体电离，加之阴极二次电子发射等其它机制的作用，导致气体击穿放电形成等离子体。 2. 光电离法和激光辐射电离法 借入射光子的能量使某物质的分子电离. 以形成等离子体条件是光子能量必须大于或等于该物质的第一电离能。 3. 射线辐照法 用各种射线或者粒子束对气体进行辐照也能产生等离子体。 4. 燃烧法 借助热运动动能足够大的原子、分子间相互碰撞引起电离，产生的等离子体叫火焰等离子体。 5. 冲击波法 靠冲击波在试样气体中通过时，试样气体受绝热压缩产生的高温来产生等离子体，实质上也属于热致电离，称为冲击波等离子体。 热等离子体应用 高温加热 冶金、焊接、切割 材料合成、加工 陶瓷烧结、喷涂、三废处理 光源 强光源 高温等离子体的应用 由于高温等离子体温度高，所以在无机合成中不能用来合成熔点低、易挥发、易分解的化合物，而主要用于冶金、合成熔点高、稳定性强的化合物(氮化物、碳化物、硼化物、氧化物等)，制备金属超微粒子，喷涂防热防腐层。 二、氢电弧等离子体法合成机理： 含有氢气的等离子体与金属间产生电弧，使金属熔融，电离的N2、Ar等气体和H2溶入熔融金属，然后释放出来，在气体中形成了金属的超微粒子，用离心收集器或过滤式收集器使微粒与气体分离而获得纳米微粒。 产量： 以纳米Pd为例，该装置的产率一般可达到300 g/h 品种：该方法已经制备出十多种金属纳米粒子；30多种金属合金，氧化物；也有部分氯化物及金属间化物。 产物的形貌和结构：用这种方法，制备的金属纳米粒子的平均粒径和制备的条件及材料有关。 粒径：一般为几十纳米。如Ni；10～60 nm间的粒子所占百分数达约为78% 形状：一般为多晶多面体,磁性纳米粒子一般为链状。 1)．氧化物粉末的合成- 高温等离子体制备氧化物 a. 用功率1Mw的等离子体炉热分解锆石英zircon，再用NaOH熔液处理分解了的粉末，即得ZrO2。其中SiO2的含最低于0.5%。TiO2，ZrO2均是很好的颜料。 b. 用旋转等离子体炉加热Al2O3(SiO2)和碳的混合物，气化了的AlO(SiO)与水蒸气反应，可得Al2O3(Al2O3-SiO2)粉末。 c. 以AlCl3(AlCl3+SiCl4)为原料与氧等离子体反应，可制得烧结性好的Al2O3(Al2O3-SiO2)粉末。 d. 把SiCl4通入氧等离子体中，使生成的SiO2熔化，制得石英玻璃，该法制得的石英玻璃与氢氧焰法的相比，含氢最低，是很好的光导纤维材料。 e. 以TiCl4为原料与氧等离子体反应生成的TiO2从高温骤冷(1628到973K)下来，即得金红石型(高温稳定相) TiO2有较好的耐高温和耐光性。 2)．碳化物carbide、氮化物nitride的合成 在高科技领域中，碳化物、氮化物和硼化物是重要的无机材料。这些化合物的制备方法有化学气相沉积(高温粉末反应等。 缺点:难以得到高纯、微细的化学品，采用高温等离子体合成即可克服这些不足。 以SiO2为原料，以CH4为还原剂和碳源，在氩等离子体的作用下，可合成SiC。 以有机硅化合物(SiCH3Cl3等)为原料，用氩等离子体分解，可得粒度500nm的β-SiC粉末。 c. 以Si粉为原料与氨-氟化氢等离子体作用，可得85％的Si3N4粉末。 d. 以TaCl4为原料与氮-氢等离子体反应，可得TaN。 以TiCl4为原料与氢-甲烷等离子体反应，可得产率92％的TiC。 冷等离子